CN108161903A - 一种仿生三自由度外骨骼踝关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生三自由度外骨骼踝关节,包括机构杆件和呈U字形结构的踝关节支架,机构杆件和踝关节支架的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆,使得机构杆件、踝关节支架、两根小腿承力杆形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构,踝关节支架的开口端部设有踝关节绑带,踝关节支架的底部上侧装设有可转动的鞋垫,踝关节支架和一根小腿承力杆之间铰接有驱动元件,平行四边形结构的中心线L1、鞋垫的转动中心线L2、踝关节支架和两根小腿承力杆的铰接点中心连线L3三者相交于踝关节支架的开口端部的踝关节中心点O。本发明穿戴舒适性更高,与人体运动更为协调,能够真正实现增强人体机动能力。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术,具体涉及一种仿生三自由度外骨骼踝关节。
背景技术
国外对于外骨骼的研究已有一定基础和成果,国内对其的研究也正兴起。目前外骨骼主要用于医疗康复、单兵作战、工业生产等领域。现有的外骨骼机器人在仿生设计上对人体结构做了简化,尤其是对关节及其运动的简化,使得外骨骼与人体运动存在差异,具体表现在穿戴外骨骼服时舒适性不佳。例如,申请号为201210319331.2的中国专利文献提出了一种可穿戴式重物型物资搬运助力仿生外骨骼,其踝关节设计有两个自由度,可模拟踝关节背屈及外翻/内翻,而无法实现人体踝关节的内旋/外旋,与人体运动存在较大差异,容易使人体运动受到限制;申请号为201310686549.6的中国专利文献提出了一种穿戴式外骨骼助力机器人,其踝关节设计有三个自由度,可进行屈/伸,外摆/内收,内旋/外旋,然而其三个旋转中心不与人体踝关节中心重合,可能造成外骨骼服与人体的空间干涉,穿戴舒适性有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题:针对现有技术的外骨骼踝关节存在的人机运动不协调、存在内耗、穿戴舒适性不佳等问题,提供一种穿戴舒适性更高,与人体运动更为协调,能够真正实现增强人体机动能力的仿生三自由度外骨骼踝关节。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种仿生三自由度外骨骼踝关节,包括机构杆件和呈U字形结构的踝关节支架,所述机构杆件和踝关节支架的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆,使得机构杆件、踝关节支架、两根小腿承力杆形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构,所述踝关节支架的开口端部设有踝关节绑带,所述踝关节支架的底部上侧装设有可转动的鞋垫,所述踝关节支架和一根小腿承力杆之间铰接有驱动元件,所述平行四边形结构的中心线L1、所述鞋垫的转动中心线L2、踝关节支架和两根小腿承力杆的铰接点中心连线L3三者相交于踝关节支架的开口端部的踝关节中心点O。
优选地,所述机构杆件包括两根相互平行布置的连杆,所述连杆的两端分别与小腿承力杆的上部铰接连接。
优选地,所述机构杆件还包括护膝,所述护膝安装在两根连杆的内侧。
优选地,所述连杆的两端分别与小腿承力杆的上部通过上转动轴连接,所述踝关节支架的开口端部与小腿承力杆的下部通过下转动轴连接,所述上转动轴、下转动轴均沿着鞋垫的长度方向平行布置;所述驱动元件一端铰接安装在小腿承力杆上、另一端通过驱动转动轴与踝关节支架的中部相连,所述驱动转动轴沿着鞋垫的宽度方向平行布置。
优选地,所述鞋垫包括前掌和后座,所述前掌和后座之间通过连接轴相连,所述后座安装在踝关节支架的底部上侧。
优选地,所述后座的底部设于凹入部,所述踝关节支架的底部位于凹入部中。
优选地,所述前掌上设有用于固定脚部的脚部绑带。
优选地,所述踝关节绑带、脚部绑带均采用柔性材料制成,所述小腿承力杆采用碳纤维制成。
优选地,所述驱动元件为液压缸、或气缸、或直线驱动电机。
优选地,所述踝关节支架和另一根小腿承力杆之间铰接有被动蓄能元件。
本发明仿生三自由度外骨骼踝关节具有下述优点:
1、本发明填补了外骨骼服在踝仿生关节设计领域的空白。
2、本发明的踝关节设计充分考虑人体仿生,通过平行四边形结构的中心线L1、所述鞋垫的转动中心线L2、踝关节支架和两根小腿承力杆的铰接点中心连线L3三者相交于踝关节支架的开口端部的踝关节中心点O,使得具有的三个自由度的旋转中心与人体踝关节中心重合,使穿戴者运动更为自然,同时在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉,从而减少外骨骼服与人体运动的内耗,提高外骨骼服的穿戴舒适性。
3、本发明结构简单,较为灵巧、能耗低、可靠性较好。
4、本发明踝关节支架和另一根小腿承力杆之间进一步铰接有被动蓄能元件,仿生踝关节进一步采用了主被动结合的驱动形式,可增强外骨骼的力学性能和续航时间
5、本发明踝关节绑带、脚部绑带均进一步采用柔性材料制成,小腿承力杆进一步采用碳纤维制成,使外骨骼兼具刚性外骨骼的承载性能,又具有柔性外骨骼的舒适、高效能提高穿戴的舒适性。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的侧视结构示意图。
图3为本发明实施例的踝关节屈/伸的自由度示意图。
图4为本发明实施例的踝关节外摆/内收的自由度示意图。
图例说明:1、机构杆件;11、连杆;12、护膝;2、踝关节支架;21、踝关节绑带;3、小腿承力杆;31、上转动轴;32、下转动轴;4、鞋垫;41、前掌;42、后座;421、于凹入部;43、脚部绑带;5、驱动元件;51、驱动转动轴;6、被动蓄能元件。
具体实施方式
如图1和图2所示,本实施例的仿生三自由度外骨骼踝关节包括机构杆件1和呈U字形结构的踝关节支架2,机构杆件1和踝关节支架2的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆3,使得机构杆件1、踝关节支架2、两根小腿承力杆3形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构,踝关节支架2的开口端部设有踝关节绑带21,踝关节支架2的底部上侧装设有可转动的鞋垫4,踝关节支架2和一根小腿承力杆3之间铰接有驱动元件5,平行四边形结构的中心线L1、鞋垫4的转动中心线L2、踝关节支架2和两根小腿承力杆3的铰接点中心连线L3三者相交于踝关节支架2的开口端部的踝关节中心点O。
本实施例的仿生三自由度外骨骼踝关节包括三个自由度:屈/伸,外摆/内收,内旋/外旋,其中通过驱动元件5驱动踝关节支架2和一根小腿承力杆3之间相对运动,液压缸推出和收进时踝关节上下转动,可实现踝关节屈/伸的自由度,如图3所示;通过机构杆件1、踝关节支架2、两根小腿承力杆3形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构,可实现踝关节外摆/内收的自由度,如图4所示;通过踝关节支架2的底部上侧装设有可转动的鞋垫4,使得踝关节支架2和鞋垫4增加转动副,实现了踝关节内旋/外旋的自由度,如图1中弧状箭头所示。由于平行四边形结构的中心线L1、鞋垫4的转动中心线L2、踝关节支架2和两根小腿承力杆3的铰接点中心连线L3三者相交于踝关节支架2的开口端部的踝关节中心点O,从而使得具有的三个自由度的旋转中心与人体的踝关节中心(踝关节中心点O)重合,使穿戴者运动更为自然,同时在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉,从而减少外骨骼服与人体运动的内耗,提高外骨骼服的穿戴舒适性,具有***结构简单、灵巧轻便(质量和体积均较小)、容易控制、维护使用简单、可靠性较好的优点。
如图1和图2所示,机构杆件1包括两根相互平行布置的连杆11,连杆11的两端分别与小腿承力杆3的上部铰接连接,确保机构杆件1和两根小腿承力杆3连接更加稳定可靠,有利于提高机构杆件1、踝关节支架2、小腿承力杆3形成的平行四边形结构的稳定性。
如图1和图2所示,机构杆件1还包括护膝12,护膝12安装在两根连杆11的内侧,可以有效保护膝盖,可根据需要采用刚性或柔性材料制成。
如图1和图2所示,连杆11的两端分别与小腿承力杆3的上部通过上转动轴31连接,踝关节支架2的开口端部与小腿承力杆3的下部通过下转动轴32连接,上转动轴31、下转动轴32均沿着鞋垫4的长度方向平行布置;驱动元件5一端铰接安装在小腿承力杆3上、另一端通过驱动转动轴51与踝关节支架2的中部相连,驱动转动轴51沿着鞋垫4的宽度方向平行布置,通过上述结构,确保踝关节屈/伸、外摆/内收两个自由度的稳定可靠。
本实施例中,鞋垫4包括前掌41和后座42,前掌41和后座42之间通过连接轴相连,后座42安装在踝关节支架2的底部上侧,可实现脚掌的前翻/后翻自由度。
如图1和图2所示,后座42的底部设于凹入部421,踝关节支架2的底部位于凹入部421中,有利于提高鞋垫4与地面的接触面积,而且能够防止踝关节支架2过度磨损。
如图1和图2所示,前掌41上设有用于固定脚部的脚部绑带43,有利于固定脚掌。
如图1和图2所示,踝关节绑带21、脚部绑带43均采用柔性材料制成,小腿承力杆3采用碳纤维制成,使外骨骼兼具刚性外骨骼的承载性能,又具有柔性外骨骼的舒适、高效能提高穿戴的舒适性。
本实施例中,驱动元件5可以根据需要采用液压缸、或气缸、或直线驱动电机。本实施例中,驱动元件5具体采用直线驱动电机,电机***技术成熟、***结构简单、无污染、维护使用简单。
如图1和图2所示,本实施例中踝关节支架2和另一根小腿承力杆3之间铰接有被动蓄能元件6,通过被动蓄能元件6和驱动元件5形成了主被动结合的驱动形式,采用驱动元件5提供主动驱动助力,同时采用被动蓄能元件6被动蓄能助力,可增强外骨骼的力学性能和续航时间。本实施例中,被动蓄能元件6具体采用弹簧实现,此外也可以根据需要采用气缸、油缸或者弹簧棘轮机构等蓄能元件,虽然结构各异,但是应用于踝关节支架2和另一根小腿承力杆3之间以实现主被动结合的驱动形式与本实施例相同,故在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:包括机构杆件(1)和呈U字形结构的踝关节支架(2),所述机构杆件(1)和踝关节支架(2)的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆(3),使得机构杆件(1)、踝关节支架(2)、两根小腿承力杆(3)形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构,所述踝关节支架(2)的开口端部设有踝关节绑带(21),所述踝关节支架(2)的底部上侧装设有可转动的鞋垫(4),所述踝关节支架(2)和一根小腿承力杆(3)之间铰接有驱动元件(5),所述平行四边形结构的中心线L1、所述鞋垫(4)的转动中心线L2、踝关节支架(2)和两根小腿承力杆(3)的铰接点中心连线L3三者相交于踝关节支架(2)的开口端部的踝关节中心点O。
2.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述机构杆件(1)包括两根相互平行布置的连杆(11),所述连杆(11)的两端分别与小腿承力杆(3)的上部铰接连接。
3.根据权利要求2所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述机构杆件(1)还包括护膝(12),所述护膝(12)安装在两根连杆(11)的内侧。
4.根据权利要求2所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述连杆(11)的两端分别与小腿承力杆(3)的上部通过上转动轴(31)连接,所述踝关节支架(2)的开口端部与小腿承力杆(3)的下部通过下转动轴(32)连接,所述上转动轴(31)、下转动轴(32)均沿着鞋垫(4)的长度方向平行布置;所述驱动元件(5)一端铰接安装在小腿承力杆(3)上、另一端通过驱动转动轴(51)与踝关节支架(2)的中部相连,所述驱动转动轴(51)沿着鞋垫(4)的宽度方向平行布置。
5.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述鞋垫(4)包括前掌(41)和后座(42),所述前掌(41)和后座(42)之间通过连接轴相连,所述后座(42)安装在踝关节支架(2)的底部上侧。
6.根据权利要求5所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述后座(42)的底部设于凹入部(421),所述踝关节支架(2)的底部位于凹入部(421)中。
7.根据权利要求6所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述前掌(41)上设有用于固定脚部的脚部绑带(43)。
8.根据权利要求7所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述踝关节绑带(21)、脚部绑带(43)均采用柔性材料制成,所述小腿承力杆(3)采用碳纤维制成。
9.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述驱动元件(5)为液压缸、或气缸、或直线驱动电机。
10.根据权利要求1~9中任意一项所述的仿生三自由度外骨骼踝关节,其特征在于:所述踝关节支架(2)和另一根小腿承力杆(3)之间铰接有被动蓄能元件(6)。
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